懷集縣森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

盧天漢 周宇飛 李小川

（1.懷集縣林業(yè)局，廣東 肇慶 526400；2.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室/廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520）

森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以保護森林資源為目的，利用現(xiàn)代科技手段對森林火災進行實時預警監(jiān)測的系統(tǒng)[1-2]。系統(tǒng)具備森林火災可視指揮調(diào)度功能，可使各級應急、林業(yè)部門直觀了解和掌握監(jiān)控區(qū)域的森林火情動態(tài)，有效提高森林火災管理水平[2-4]。

在懷集縣森林防火實際工作中，遠程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備森林防火遠程監(jiān)控和煙火智能識別功能，可集成到森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺中，形成應急指揮、災損評估及日常管理于一體化的林火管控模式，并有利于形成地面、高山、空中三位一體的監(jiān)控體系。系統(tǒng)的建設符合懷集縣按照“先易后難，穩(wěn)步推進”原則建設林業(yè)云計算平臺的目標，符合懷集縣全面實現(xiàn)數(shù)字化管理、建設全國林業(yè)信息化示范縣的要求。通過懷集縣森林重點火險區(qū)綜合治理三期工程的建設，遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯著提升了懷集縣森林火災預警預測的效果。

1 建設區(qū)域概況

1.1 森林資源概況

懷集縣位于廣東省西北部東經(jīng)112°10′33″,北緯23°54′40″，地處“兩廣”走廊、三省（粵桂湘）匯聚交界地域。據(jù)2018 年林地年度變更調(diào)查成果[5]顯示，土地總面積3 556.61 km2，林業(yè)用地面積2 723.00 km2，其中：有林地面積2 440.26 km2，疏林地面積0.55 km2，灌木林地面積103.61 km2，未成林造林地面積62.22 km2，苗圃地面積0.02 km2，無立木林地面積104.81 km2，林業(yè)輔助生產(chǎn)用地面積0.20 km2，森林覆蓋率73.28%。

1.2 森林防火現(xiàn)狀

2014 年至2017 年間，全縣共發(fā)生森林火災47 次,其中一般森林火災31 次，較大火災6 次；過火總面積187.63 萬m2；受害森林面積96.21萬 m2；損失林木蓄積672.6 m3；損失幼林2.94 萬株；無發(fā)生人員傷亡事故。已查明原因的森林火災共43 次，其中由非生產(chǎn)性用火引發(fā)的達72%，包括民俗活動、電線短路、野外吸煙、野炊和小孩玩火等；由生產(chǎn)性火源引發(fā)的達28%，包括村民燒荒、燒田基草等。

2 系統(tǒng)組成與功能設計

林火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由林火視頻監(jiān)控前端、傳輸網(wǎng)絡、后端監(jiān)控中心3 部分組成。

2.1 林火視頻監(jiān)控前端

林火視頻監(jiān)控前端由高清攝像機、重型數(shù)字云臺、基站鐵塔、網(wǎng)絡傳輸設備、電源設備、防盜報警設備及防雷設備等組成，是實現(xiàn)林區(qū)監(jiān)控圖像采集的主要設施。

前端設備采用智能化煙火識別的高清攝像機，并可遠程實現(xiàn)對前端的鏡頭和云臺、防護罩設備的控制?？刂苾?nèi)容包括鏡頭變焦及更改可視區(qū)域；控制云臺上下左右轉(zhuǎn)向，以帶動攝像機對不同方向的林區(qū)進行監(jiān)控；控制云臺在沒人看守的情況下自動巡航和監(jiān)控；控制設備防護罩的雨刷及加熱功能；控制監(jiān)控視頻的啟動和暫停；遠程調(diào)節(jié)視頻監(jiān)控的亮度、灰度、對比度及影像分辨率等參數(shù)。前端需保障不間斷供電，具備防盜、防雷等保護措施。

2.2 傳輸網(wǎng)絡

傳輸網(wǎng)絡主要用來實現(xiàn)林火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端與后端監(jiān)控中心之間的視頻圖像及其它相關信號的傳輸[6]。遠程視頻前端的監(jiān)控影像、云臺參數(shù)、以及前后端之間的雙向控制信號等信息都需要通過各種通信網(wǎng)絡進行傳遞[7]。在懷集縣遠程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，傳輸網(wǎng)絡主要采用租用運營商光纖進行。前端系統(tǒng)采集到影像信息進行數(shù)字化后通過光纖匯總到移動機房，然后通過移動機房的網(wǎng)關設備發(fā)送到肇慶市及懷集縣防火指揮中心。在懷集縣遠程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，縣級指揮中心租用的網(wǎng)絡帶寬為20 Mb/s，縣級指揮中心與肇慶市級指揮中心連接的帶寬為100 Mb/ s，均采用光纖專線進行視頻影像數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 后端監(jiān)控中心

后端監(jiān)控中心可分為兩級，即一級監(jiān)控中心和二級監(jiān)控中心。一級監(jiān)控中心是由遠程視頻聯(lián)網(wǎng)管理平臺、數(shù)據(jù)中心、視頻矩陣等構(gòu)成，實現(xiàn)指揮中心工作人員對林區(qū)狀況進行日常的集中遠程監(jiān)測，數(shù)字傳輸網(wǎng)絡采集森林防火智能前端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而在指揮中心的監(jiān)測平臺上實現(xiàn)分析、報警、火點定位、資源調(diào)度和撲救指揮等功能；二級監(jiān)控中心主要組成部分包括管理服務器、報警客戶端及相關軟件，主要作用是對前端監(jiān)控點的錄像進行存儲，并起著向一級監(jiān)控中心進行視頻轉(zhuǎn)發(fā)的聯(lián)接橋梁作用。

圖1 林火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.1 composition of forest fire remote video monitoring system

表1 懷集縣林火監(jiān)控視頻前端建設點分布Table1 Distribute of construction sites of front-end monitoring in Huaiji county

監(jiān)控中心系統(tǒng)的設計重點在于強調(diào)對前端視頻的集中管理和智能控制，包括對森林火災火點的自動識別及警報的信息流管理，具備遠程控制前端進行抓拍，對管理的前端視頻影像進行錄像和回放，具備視頻切換等功能，做到可以實時查看林區(qū)異常事件，并能實現(xiàn)現(xiàn)場指揮的效果，從而提高處置森林火情以及林區(qū)突發(fā)事件的效率。

3 前端選址與建設

3.1 前端選址

遠程林火視頻監(jiān)控前端的選址是決定系統(tǒng)建設成敗的重要因素，需要綜合考慮各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）森林資源及火險分布。由于資金限制，前端建設目前還難以達到林火監(jiān)測的全覆蓋，需要優(yōu)先滿足縣城周邊重要性較高的或經(jīng)常發(fā)生火險的重點林區(qū)建設。

本文根據(jù)各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）森林資源分布及2014 年至2017 年間的森林火災發(fā)生地點的分布情況，將懷集縣劃分為三個級別火險區(qū)。一級火險區(qū)為縣城周邊重點林區(qū)或經(jīng)常發(fā)生火險的地區(qū)，包括懷城、中洲、詩洞、冷坑4 個鎮(zhèn)；二級火險區(qū)為人員活動較為密集或較常發(fā)生火險的地區(qū)，包括大崗、坳仔、連麥、洽水、鳳崗、甘灑、橋頭7 個鎮(zhèn)；三級火險區(qū)為偶爾或未發(fā)生火險的地區(qū)，包括閘崗、永固、馬寧、崗坪、下帥、藍鐘、汶朗、梁村等8 個鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）。按照火險區(qū)的重要性來確定設置林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端的數(shù)量。

為確定林火監(jiān)控視頻前端的具體建設位置，首先查詢近年來在各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）經(jīng)常發(fā)生火險的區(qū)域，然后在這些區(qū)域內(nèi)利用數(shù)字高程模型篩選出各個制高點，最后利用懷集縣先期建設的森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺中的地理信息系統(tǒng)進行可視域分析來確定最終的建設地點，以便最大限度觀測森林火災多發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)。

3.2 前端建設

懷集縣在2017 年1-7 月和2018 年6 月分兩期建設共36 處前端監(jiān)控點。

電力方面主要采用市電接入，但由于野外電壓不穩(wěn)容易造成監(jiān)控設備損壞，為形成不間斷供電，選擇風光互補備用電源進行供電，以保障停電時林火遠程視頻監(jiān)控前端可以正常運行。

防雷方面主要使用避雷針來保護監(jiān)控設備避免雷擊的裝置，需同時采用信號和電源雙路防雷器保證設備遭受雷擊時能主動切斷信號及電力傳輸，并使用防雷插排與接地來減少林火監(jiān)控視頻前端在雷電環(huán)境下被雷擊損壞的概率。

4 后端監(jiān)控中心的建設與實現(xiàn)

后端監(jiān)控中心于2017 年建設完成，并集成到懷集縣的森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺中，建設內(nèi)容包括包括服務器、數(shù)據(jù)中心、視頻矩陣、視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測管理平臺等。

服務器方面，由于林火監(jiān)控的分析功能在設備前端已經(jīng)實現(xiàn)，服務器主要是以集中處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)指令等功能為主，因此根據(jù)實際需求，選用塔式服務器。塔式服務器具備內(nèi)部空間相對寬敞、散熱性能好、可擴展性強等優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)中心管理和存儲前端發(fā)回的各路視頻數(shù)據(jù)。監(jiān)控錄像數(shù)據(jù)由于是持續(xù)的視頻流數(shù)據(jù)，通常情況下需要較大的存儲空間進行存儲，多路監(jiān)控數(shù)據(jù)的并發(fā)實時寫入更是需要對存儲空間進行有效管理[8]。因此，系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)絡存儲設備的數(shù)據(jù)集中存儲模式。在存儲設備進行選型時，需要同時考慮初期配置容量和后期擴容的要求[9]?；诙鄠€分布式控制器架構(gòu)的IP 存儲設備可以滿足海量、本地、遠程等多種應用模式。

視頻矩陣采用液晶拼接大屏的方式，通過高清解碼服務器將網(wǎng)絡視頻信號解碼成模擬信號,然后通過拼接控制器在電視墻上顯示。視頻矩陣系統(tǒng)將高清晰液晶顯示技術、多屏幕處理技術、影像拼接技術、網(wǎng)絡技術等進行融合，滿足大屏幕顯示的高分辨率、高亮度、畫面流暢、智能化控制、操作便利等要求。

視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測管理平臺方面實現(xiàn)了林區(qū)森林火災的智能識別，實現(xiàn)了對監(jiān)控區(qū)域的林區(qū)狀況的實時觀測，林區(qū)的圖像經(jīng)由林火自動識別算法進行自動識別，一旦識別出森林火災，則直接出發(fā)報警功能，同時還可接收云臺的實時位置及姿態(tài)，根據(jù)云臺位置通過單點定位的方式計算森林火災的具體位置，當監(jiān)測到火災信息，由指揮中心操作人員進行確認后向森林消防隊伍發(fā)出火警信息，并及時進行指揮撲救工作。

5 結(jié)語

懷集縣森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測全縣約1 200 km2的林地，監(jiān)控覆蓋率達到44.1%，一級火險區(qū)的監(jiān)控覆蓋率更是達到了90%。系統(tǒng)投入使用后，懷集縣未發(fā)生過重特大森林火災和人員傷亡事故，森林火災的發(fā)生率大幅度降低，森林火災受害率從2014 年的0.43‰下降到2017年后的0.01‰以下。系統(tǒng)目前已錄入接警數(shù)據(jù)1 200 多條，其中火情72 次，這些歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)挖掘，可為后續(xù)林火遠程視頻監(jiān)控前端的選址提供參考依據(jù)。

雖然懷集縣森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本建成，但全縣林區(qū)總體監(jiān)控覆蓋率仍然較低，且視頻監(jiān)控存在一定的觀測盲區(qū)，尤其是二、三級火險區(qū)的監(jiān)控覆蓋范圍較低，需要進一步加密前端，以達到林火視頻監(jiān)控的全覆蓋。其它問題方面，通信傳輸成本過高，由于信息傳輸必須通過租用通信運營商的網(wǎng)絡和光纖完成，通信成本占到了運行總成本的 40%左右，系統(tǒng)運維費用較高，亟待解決。此外，縣級還缺乏具備必要業(yè)務知識的管理人員，系統(tǒng)的維護、保養(yǎng)和管理等技術難以跟上，需加強信息化專業(yè)人才隊伍建設，以便懷集縣森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)能在森林防火工作中發(fā)揮更好的作用。